錫膏測(cè)試方法及評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)

王麗榮 朱捷 趙朝輝 張煥鹍

隨著電子制造業(yè)的迅猛發(fā)展，電子焊接的質(zhì)量與可靠性逐步成為保持市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的基石，也是電子廠商著重關(guān)注的焦點(diǎn)。針對(duì)可靠性的評(píng)價(jià)，從設(shè)計(jì)到后續(xù)的組裝，再到最終驗(yàn)收，國(guó)際電子工業(yè)聯(lián)接協(xié)會(huì)（IPC）、日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（JIS）以及國(guó)內(nèi)相關(guān)機(jī)構(gòu)均提供了一系列標(biāo)準(zhǔn)。有了共同的標(biāo)準(zhǔn)即制定了交流過(guò)程中的共同語(yǔ)言——全球電子行業(yè)的術(shù)語(yǔ)，可以很大程度上減少供應(yīng)商和制造商在溝通上的障礙，加快解決問(wèn)題的速度，為雙方贏得良好的企業(yè)形象和信譽(yù)奠定了基礎(chǔ)。每個(gè)公司根據(jù)自身特性會(huì)參考國(guó)內(nèi)或者國(guó)際不同的標(biāo)準(zhǔn)，例如一家錫膏生產(chǎn)商，為了實(shí)現(xiàn)最終產(chǎn)品的絕佳品質(zhì)，需要參考的標(biāo)準(zhǔn)如IPC-J-STD-004、IPC-J-STD-005、IPC-J-STD-006以及IPC-TM-650等。

IPC的測(cè)試項(xiàng)目琳瑯滿目，標(biāo)準(zhǔn)均為英文版本，雖然目前TG Asia技術(shù)組也在積極的進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)發(fā)工作，然而對(duì)于一些初入電子行業(yè)或者所生產(chǎn)的產(chǎn)品總是出現(xiàn)問(wèn)題的客戶來(lái)說(shuō)，采用何種標(biāo)準(zhǔn)以及對(duì)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容如何解析常常感到困惑。本文就錫膏制造行業(yè)以及電子組裝可接受性的基本測(cè)試項(xiàng)目和評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)做簡(jiǎn)要概述。

錫膏的測(cè)試可分為基本性能測(cè)試、上機(jī)運(yùn)行和可靠性檢測(cè)。

一、基本性能測(cè)試

錫膏的基本性能測(cè)試主要參考IPC-J-STD-005（錫膏要求 Requirements for Soldering Pastes）以及JIS-Z-3284（日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)）。

1.錫粉粉徑以及粒度分布

錫膏中70%～90%的成分為錫粉，錫粉的性能指標(biāo)很大程度上決定了錫膏的性能。錫粉檢測(cè)關(guān)注錫粉形貌以及粉徑粒度分布。錫粉的形貌要求為長(zhǎng)寬比不超過(guò)1∶1.5的球形。錫粉的90%的形貌必須為球形，粉徑標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1、表2。

目前市場(chǎng)上常用的為T3、T4號(hào)錫粉，隨著電子元器件的短小化發(fā)展，0201以及01005元器件的快速興起，足夠的焊接強(qiáng)度對(duì)下錫量提出了更嚴(yán)格的要求。根據(jù)焊盤尺寸與錫粉單排數(shù)量的關(guān)系，窄粒徑超細(xì)粉的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)日漸凸顯。01005元器件見(jiàn)圖1。

2.金屬比

金屬比采用質(zhì)量檢測(cè)方法，具體方法見(jiàn)IPC-TM-650，2.2.20，測(cè)試值需不超過(guò)設(shè)定值的±1%。具體的偏差值各個(gè)公司有不同的限定標(biāo)準(zhǔn)，在檢測(cè)過(guò)程中為了防止熔融金屬進(jìn)一步氧化，通常會(huì)添加一定量額外的溶劑進(jìn)行保護(hù)。

3.粘度

粘度測(cè)試采用Malcom（單位為Pa·s），也可使用Brookfield（單位為cp），要求測(cè)試值不能超過(guò)設(shè)定值的10%。當(dāng)采用Malcom測(cè)試時(shí)，也需關(guān)注錫膏的Ti以及R值。Ti值為觸變指數(shù)，反映的是錫膏在外力作用下改變形態(tài)的快慢程度，一般良好的Ti值在0.4～0.6左右。R值為粘度不恢復(fù)率，反映的是當(dāng)外力減小時(shí)，錫膏恢復(fù)到初始狀態(tài)的能力。R值可為負(fù)值，零以及正值。當(dāng)R為正值時(shí)，反映當(dāng)作用于錫膏的外力減小或消失時(shí)，錫膏不能快速或不能恢復(fù)到初始狀態(tài)。即常說(shuō)的隨著印刷時(shí)間的延長(zhǎng)，錫膏表現(xiàn)為流淌狀，此時(shí)容易造成因錫膏流淌到焊盤外而造成錫珠或連錫現(xiàn)象；當(dāng)R=0時(shí)，是最佳的印刷狀態(tài)，即當(dāng)作用于錫膏的外力減小或消失時(shí)，錫膏能快速恢復(fù)到初始狀態(tài)；當(dāng)R為負(fù)值時(shí)，數(shù)值越大，則隨著印刷時(shí)間的延長(zhǎng)，錫膏的粘度越大，容易造成錫膏滾動(dòng)性差，下錫困難，為增加下錫量，常采用加大刮刀力度，卻進(jìn)一步造成鋼網(wǎng)變形，更容易造成焊接缺陷。

4.坍塌

在坍塌測(cè)試方面，IPC以及JIS給出了不同的鋼網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，從鋼網(wǎng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)看，IPC更符合現(xiàn)有產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)發(fā)展趨勢(shì)，也給錫膏制造商在評(píng)價(jià)錫膏特性方面提供了更好的技術(shù)支持。

IPC的坍塌鋼網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分為不同鋼板厚度，包括IPC-A-21（0.2mm厚）以及IPC-A-20（0.1mm厚），見(jiàn)圖2。測(cè)試同時(shí)關(guān)注冷熱坍塌。冷坍塌代表的是錫膏在印刷時(shí)，保持印刷形態(tài)的能力。對(duì)于某些細(xì)間距的管腳元器件，若冷坍塌差，則直接出現(xiàn)未焊接前的連錫，則必然在回流后造成大面積的短路現(xiàn)象。相對(duì)冷坍塌而言，實(shí)驗(yàn)室更側(cè)重的是冷坍塌優(yōu)異的熱坍塌表現(xiàn)。熱坍塌的焊接條件是150±10℃條件下，烘烤10min。在烘烤過(guò)程中，錫膏內(nèi)的助焊劑會(huì)持續(xù)揮發(fā)，在揮發(fā)過(guò)程中，錫膏自身的重力和保持形狀的力成反作用力。當(dāng)錫膏保持形態(tài)的力小于自身重力時(shí)，發(fā)生坍塌現(xiàn)象；當(dāng)錫膏保持形態(tài)的力大于自身重力時(shí)，則錫膏不發(fā)生坍塌或者微小的坍塌。隨著元器件間距越來(lái)越細(xì)微化，熱坍塌值成為足夠下錫量后又一重要指標(biāo)（見(jiàn)表3）。

5.錫珠

針對(duì)錫珠，IPC以及JIS有不同的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。IPC根據(jù)錫粉的粉徑范圍制定了錫珠檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。如T1-T4錫粉，要求不能有超過(guò)75μm的錫珠，而針對(duì)T5-T6，則要求不能超過(guò)50μm的錫珠出現(xiàn)（見(jiàn)圖3）。

JIS提出更高的測(cè)試要求，按照等級(jí)劃分，可以分為4個(gè)等級(jí)，等級(jí)1要求無(wú)錫珠，與IPC中目標(biāo)值相同，而針對(duì)2級(jí)，JIS明確提出，錫珠數(shù)量必須小于3個(gè)，且尺寸不能超過(guò)75μm。三級(jí)為錫珠數(shù)量超過(guò)3個(gè)，但不成環(huán)，且尺寸要求不超過(guò)75μm（見(jiàn)表4）。

IPC錫珠測(cè)試分為2種樣品，一種為錫膏印刷后在室溫放置15min，另一種為在室溫放置4h。這里放置4h后錫珠的檢測(cè)對(duì)錫膏提出更高的要求。當(dāng)某些錫膏存在吸濕問(wèn)題時(shí)，隨著放置時(shí)間的增長(zhǎng)，吸濕量加重，容易造成在后續(xù)焊接過(guò)程中的炸錫現(xiàn)象。另外當(dāng)錫膏中的助焊劑容易揮發(fā)時(shí)，隨著放置時(shí)間的延長(zhǎng)，助焊劑中的活性物質(zhì)電離環(huán)境被破壞，進(jìn)而造成錫膏的活性降低，影響焊接效果，若揮發(fā)物質(zhì)過(guò)多，則造成錫膏表面發(fā)干。

6.潤(rùn)濕

目前印制電路板（PCB）板面基材主要包含OSP銅、鍍錫、鎳金等幾種基材。IPC-TM-650對(duì)潤(rùn)濕的要求為不能出現(xiàn)明顯的退或不潤(rùn)濕現(xiàn)象，該標(biāo)準(zhǔn)可以滿足SMT生產(chǎn)廠商對(duì)最終產(chǎn)品的評(píng)判，然而，當(dāng)錫膏生產(chǎn)廠商在對(duì)其錫膏的活性強(qiáng)弱評(píng)判時(shí)，僅通過(guò)在銅板表面的滿潤(rùn)濕現(xiàn)象，很難對(duì)其活性強(qiáng)弱進(jìn)行進(jìn)一步判斷。據(jù)此，筆者所在公司結(jié)合IPC以及JIS對(duì)潤(rùn)濕的測(cè)試方法，采取多種基材評(píng)判錫膏的潤(rùn)濕能力（見(jiàn)圖5）。

根據(jù)現(xiàn)有行業(yè)中所用到的板材以及某些氧化嚴(yán)重的基材，采用銅板、鎳板、鍍鎳版、黃銅板幾種板材進(jìn)行潤(rùn)濕評(píng)判。從而在板材材質(zhì)以及板材的氧化程度上，多方面檢測(cè)錫膏的活性以及鋪展能力。

7.助焊膏顆粒度

針對(duì)助焊劑的檢測(cè)主要包括顆粒度、粘度、固含量、酸值、鹵素等。助焊膏的粘度、固含量、鹵素含量、酸值由助焊膏配方設(shè)計(jì)決定，其值設(shè)定后，錫膏表現(xiàn)出來(lái)的性能參數(shù)是一定的，但是助焊膏的顆粒度則能在很大程度上影響錫膏的性能，如錫膏的粘度、下錫、穩(wěn)定性等。當(dāng)一款助焊膏的顆粒度較大時(shí)，硬顆粒會(huì)充當(dāng)錫粉的作用，從而增大錫膏粘度。另外錫膏外觀狀態(tài)發(fā)粗，整體印刷時(shí)滾動(dòng)性差，間接影響下錫量，導(dǎo)致焊接缺陷。

以上僅列舉出幾種錫膏的基礎(chǔ)檢測(cè)方法。在評(píng)判一款錫膏的適用窗口時(shí)，會(huì)進(jìn)行20多項(xiàng)性能測(cè)試，確保在客戶端的高滿意度。

二、上機(jī)運(yùn)行

該項(xiàng)目建立在錫膏的基礎(chǔ)性能檢測(cè)通過(guò)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行上機(jī)檢測(cè)。機(jī)測(cè)的目的在于檢測(cè)錫膏的下錫、脫模、以及對(duì)印刷速度的工藝窗口寬度，同時(shí)也通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的印刷，檢測(cè)錫膏的物化穩(wěn)定性。

1.物理穩(wěn)定性

錫膏在印刷過(guò)程中始終處于裸漏的空氣環(huán)境中，錫膏的每一次滾動(dòng)，都會(huì)將新的膏層暴露在空氣中，加快了溶劑的揮發(fā)以及活性物質(zhì)與錫粉的反應(yīng)速度。一旦溶劑揮發(fā)過(guò)快，則錫膏會(huì)出現(xiàn)發(fā)干的現(xiàn)象，影響錫膏滾動(dòng)性。除了錫膏的形態(tài)不能發(fā)生變化外，8h內(nèi)冷坍塌值均不違反IPC測(cè)試要求，錫膏的下錫性波動(dòng)在允許范圍內(nèi)，錫膏對(duì)鋼網(wǎng)的粘附性遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于錫膏對(duì)焊盤的粘附性等。

2.化學(xué)穩(wěn)定性

焊接過(guò)程就是助焊膏與錫粉的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，一旦在印刷過(guò)程中錫粉與助焊膏發(fā)生快速反應(yīng)，消耗掉部分助焊膏的活性，則在后續(xù)的焊接過(guò)程中，助焊膏中的活性物質(zhì)無(wú)法充分去除掉接觸材料表面的氧化物，容易造成退潤(rùn)濕、錫珠等一系列焊接問(wèn)題。

一款性能優(yōu)異的錫膏需要保證在8h印刷過(guò)程中，始終保持良好的性能參數(shù)。

三、可靠性測(cè)試

無(wú)論是錫膏的基礎(chǔ)性能測(cè)試還是上機(jī)運(yùn)行，所有的檢測(cè)項(xiàng)目均為焊接可靠性服務(wù)。產(chǎn)品質(zhì)量是一個(gè)企業(yè)的中樞神經(jīng)，而對(duì)每個(gè)環(huán)節(jié)質(zhì)量的管控與標(biāo)準(zhǔn)的評(píng)測(cè)才能生產(chǎn)出一款合格的產(chǎn)品。在可靠性檢測(cè)方面，常規(guī)的有表面絕緣阻抗（SIR）、電遷移、空洞率等。

1.BGA-球柵陣列結(jié)構(gòu)元件

一般的PCB板都帶有BGA元件，針對(duì)BGA空洞率大，一直困擾著錫膏制造商以及SMT廠商。空洞的存在主要影響導(dǎo)熱導(dǎo)電性。空洞的形成機(jī)理目前形成了比較成熟的觀點(diǎn)，主要為錫膏內(nèi)部的助焊劑在發(fā)揮作用時(shí)候產(chǎn)生的氣體或助焊劑中較粘稠的物質(zhì)在焊料融化過(guò)程中不能完全排除，在后續(xù)的焊料凝固時(shí)將氣體或者殘留封鎖在焊點(diǎn)內(nèi)部，從而形成空洞（void）。一般而言空洞存在的位置對(duì)于后續(xù)的焊接穩(wěn)定性存在不一樣的影響，因BGA空洞只能通過(guò)X-Ray觀測(cè)，且X-Ray僅能反饋空洞的大小，不能反饋空洞的位置。因此3D立體式X-Ray越發(fā)體現(xiàn)出其應(yīng)用的價(jià)值，IPC-7095對(duì)不同位置的空洞做出了等級(jí)評(píng)判，以IPC Class III為最高級(jí)別。

改善BGA空洞的幾種方法建議如下：

（1）錫膏本身活性

錫膏本身活性高，去除氧化物能力強(qiáng)，有利于降低空洞率。

（2）元器件（BGA）

元器件在使用前需要進(jìn)行烘烤，未經(jīng)烘烤的元器件可能因?yàn)樗葐?wèn)題造成空洞率大，甚至?xí)斐葿GA球炸裂。

（3）曲線設(shè)置

每款錫膏都匹配自己的TDS，TDS中會(huì)提供該錫膏的最佳焊接工藝窗口。通常將保溫區(qū)時(shí)間適當(dāng)延長(zhǎng)，使產(chǎn)生的氣體或者粘稠的物質(zhì)有足夠的時(shí)間排除，從而降低空洞率。

2. 貼片元件封裝形式（DPAK）

DPAK元器件底部焊盤較大，很容易造成空洞大的問(wèn)題。一般可以從焊盤設(shè)計(jì)以及鋼網(wǎng)設(shè)計(jì)著手。

3.方形扁平無(wú)引腳封裝（QFN）

根據(jù)IPC-A-610E中8.3.13中明確提出，針對(duì)QFN類扁平式元器件，在側(cè)面沒(méi)有連續(xù)的可焊表面，不要求趾部（末端）填充，且I/O存在于底面，既接地焊接符合要求，即可滿足電子組裝的可接受性，而對(duì)側(cè)面的焊接高度并無(wú)要求。由于焊接面在底部，焊接情況的判定只能通過(guò)X-Ray檢測(cè)，因此行業(yè)中為間接保證焊接牢固性，提出QFN側(cè)面爬升高度2/3的要求。圖5（a）中箭頭所指的地方為不連續(xù)可焊面，圖5（b）為QFN側(cè)面管腳爬升性完整。

四、結(jié)語(yǔ)

一款錫膏的性能由配方體系、使用工藝環(huán)境等多方面因素共同決定。因此在判定一款錫膏性能參數(shù)時(shí)，完善的評(píng)測(cè)體系以及配套的檢測(cè)設(shè)備，才能有效協(xié)助找到適合該產(chǎn)品的工藝窗口。隨著電子制造業(yè)向著輕薄短小化發(fā)展，標(biāo)準(zhǔn)的更新也在與時(shí)俱進(jìn)，希望越來(lái)越多的中國(guó)電子制造業(yè)精英加入到國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)制定中來(lái)，為中國(guó)的電子行業(yè)盡一份力量。